Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2015, 5(5), 103-112 Published Online October 2015 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/aep http://dx.doi.org/10.12677/aep.2015.55014
文章引用: 蒋庆伟, 聂立孝. 我国农业生产重金属污染现状研究[J]. 环境保护前沿, 2015, 5(5): 103-112. http://dx.doi.org/10.12677/aep.2015.55014
Research Progress on Heavy Metal Contamination in Agriculture in China
Qingwei Jiang, Lixiao Nie* College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan Hubei Email: 466300972@qq.com, *nielixiao@mail.hzau.edu.cn
Received: Oct. 9th, 2015; accepted: Oct. 20th, 2015; published: Oct. 23rd, 2015
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Abstract Soil contamination by heavy metals and the associated health problems resulting from foods pol-luted by heavy metals have been paid more and more attention in China. In this review paper, we summarized the activity and distribution of heavy metals, limiting factors for the availability of heavy metals in soil, influence of heavy metals on crop growth and development, crop resistance to heavy metals, and remediation of heavy metal pollution in agriculture. At the same time, some valuable strategies have been suggested to remediate heavy metal pollution in agriculture. This paper provided some theoretical basis for further studies on the heavy metal pollution in China.
Keywords Agriculture, Heavy Metal Contamination, Research Progress, Remediation
我国农业生产重金属污染现状研究 蒋庆伟，聂立孝* 华中农业大学植物科学技术学院，湖北 武汉 Email: 466300972@qq.com, *nielixiao@mail.hzau.edu.cn
收稿日期：2015年10月9日；录用日期：2015年10月20日；发布日期：2015年10月23日
*通讯作者。 蒋庆伟，聂立孝 104 摘 要 我国耕地土壤受重金属污染严重，人们的健康受到深刻影响，而目前土壤重金属污染的治理仍有一定难度。本文以国内外大量有关重金属的研究为基础，从重金属的活性与分布、影响土壤重金属有效性的因素、重金属对作物生长发育的影响、作物对重金属的抗性以及重金属污染的治理修复方面进行综述，并对今后重金属污染研究的发展提出一些建议，以期为我国重金属污染的研究提供一些理论依据。
关键词 农业，重金属污染，研究进展，修复治理
1. 引言 日本历史上因Cd污染引发的骨痛病和Hg污染造成的水俣病让世界开始广泛关注环境重金属污染问题，近年来我国频发的重金属污染事件让国内再次重视重金属污染。环境中的重金属主要来源于人类活动，工业“三废”的排放、污水灌溉、污泥农用、汽车尾气的排放、化肥农药的不合理施用等将大量重金属释放到环境中[1]，造成污染，作物的生长发育对重金属起到富集作用，再通过食物链进入人体和其它动物体内，引起慢性疾病。我国重金属污染现状严峻，南北方均有发生，但北方主要是因为污水灌溉引起，而南方则是因涉重的工矿企业造成。环境中存在的对人体健康产生严重危害的重金属污染物主要是被称为重金属五毒的汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和砷(As)，其中Cd和As在耕地重金属污染中所占比例最大，造成严重的环境污染，As属于类金属，但其造成的污染仍然被归于重金属污染。据统计，中国有1/6到1/5的耕地已经受到重金属污染，每年有1200万吨粮食被污染，相当于4000万人一年的口粮，造成经济损失达200亿元[2] [3]。耕地土壤主要通过污水灌溉和大气沉降而被重金属污染，我国是农业大国，农业水资源消耗巨大，正常年份全国灌区缺水300亿立方米[4]。我国大面积实行污水灌溉，尤其是北方缺水地区，导致耕地土壤重金属污染严重，且难于治理。 Wang等[5]对湖南省多地进行的观测试验表明，湖南省的蔬菜和水稻中的重金属含量均不同程度的超过食用标准，水稻是我国主要的粮食作物，大部分人以稻米为主食，同时相对于小麦、玉米等作物，水稻更易吸收Cd、Pb等重金属[6]。人们通过饮食富集重金属，使重金属毒性放大，从而对人们的健康产生威胁。作物对土壤中重金属的吸收受到多方面因素的影响，包括土壤理化性质、作物品种类型、耕作栽培措施及重金属间的相互影响等。对这些方面的研究有助于我们对重金属污染进行针对性的预防和修复，提高效率的同时降低修复成本，本文主要从这几个方面对作物重金属污染进行综述。
2. 重金属的分布与活性 2.1. 重金属在土壤中的分布与活性 污水灌溉和大气沉降是耕地土壤重金属污染最主要的来源。研究表明，进入土壤的重金属绝大部分都分布于表土层(0~20 cm)，深层土壤重金属含量几乎与土壤背景值相当[5] [7]，这主要是由于表层土壤有机质和粘性成分含量较高，重金属易被吸附[8]。同时也有研究指出，稻田土壤由于还原性较强且有犁底层而使重金属一般都聚集在表层土壤[9]。土壤中重金属的浓度和活性是影响植物对重金属吸收富集的最主要因素，长期使用污水灌溉的地区和工矿企业周边的土壤因其重金属浓度显著高于土壤背景值，导致这些地区生长的绝大部分作物重金属含量都超过国家标准。土壤重金属活性也受诸多因素的影响，一蒋庆伟，聂立孝 105 方面，土壤重金属浓度越高，其活性越强，另外，土壤pH、粘土含量、土壤有机质(OM)、阳离子交换量(CEC)和氧化还原电位(Eh)等土壤性质均对土壤重金属的活性产生影响。其中土壤pH和OM被认为是对土壤重金属活性影响最大的两个因素。人类活动是对这些性质产生影响的主要原因，不仅包括矿产的开采、工业和生活污水的排放，农事活动也对其产生深远的影响。 土壤pH对重金属活性的影响因重金属种类的不同而有差异。土壤中Pb、Cd等绝大多数重金属元素的生物有效性均随土壤pH的升高而降低，主要是由于碱性条件下，土壤中的重金属元素以难溶的沉淀物形式存在，其溶解度低，使土壤重金属元素的活性减弱，难以被作物吸收。Yanai等[10]研究显示，土壤pH从4.4升高到7.8，土壤中可提取的Cd含量降低50倍。但是，As作为类金属与上述情况刚好相反，其生物有效性随土壤pH升高而升高，土壤pH升高使As(V)还原为As(III)，土壤固相对其吸附强度降低而解吸进入土壤溶液，造成As的生物有效性升高，这也是水稻中As含量较高的主要原因。相反，也有人认为土壤重金属能对土壤的pH值产生影响[11]。 重金属在土壤中的迁移转化对土壤重金属活性产生重要影响，而进入土壤的重金属能与土壤中的多种组分发生作用，影响其在土壤中的赋存形态，改变土壤重金属的迁移转化能力，进而对其活性产生影响。土壤中有效态重金属含量与土壤有机质含量呈显著正相关关系[12] [13]。土壤有机质能与重金属元素形成络合物，影响重金属的迁移转化，土壤有机质含有大量活性官能团，能固定重金属，研究表明土壤有机质积累显著增加了有机质结合态重金属的比例，降低了氧化物结合态和残渣态重金属的比例[14]。
2.2. 重金属在植物中的分布与活性 不同作物对重金属的吸收能力不同。水稻因其生长环境的特殊性，其对重金属的吸收富集能力比大多数作物强，尤其是对Pb、Cd和As的吸收，稻米是食物中无机砷的最主要来源[15]，李铭红等[6]的研究结果显示，无论是植株还是籽粒，水稻对重金属的富集系数均高于小麦和玉米，因此以稻米为主食的人群易受到重金属危害。 同一作物对重金属的吸收能力因品种和类型的不同而有差异，如水稻表现为杂交稻 > 常规稻，高产品种 > 低产品种，籼稻 > 新株型 > 粳稻，代谢活跃的部位更易积累重金属元素[16]-[19]。 植物体不同部位重金属含量不同。土壤中的重金属通过作物根系的吸收作用在植物体中富集，但是重金属在植物地上部和地下部的积累量差异很大。大量研究表明，植物根系对重金属从根部向地上部的转移起到屏蔽作用，重金属在植物根部大量积累，而地上部重金属含量则相对较低，大量关于水稻体内重金属分配的研究结果均表明重金属在水稻中的分布规律为新陈代谢旺盛的部位含量更高，具体为根 > 茎叶 > 籽粒[6] [20] [21]；李坤权等[19]研究了水稻不同品种对镉的吸收及分配的差异，结果显示水稻根系Cd平均浓度比糙米高30倍；Arao等[22]对水稻吸收分配镉的研究也表明，水稻植株吸收大量的重金属Cd，但是籽粒中分配的很少。刘建国等[23]研究的水稻品种对铅吸收、分配的差异及机理也得出相似的结论，且糙米精加工后重金属含量大幅下降。也有个别作物可能由于存在较好的重金属运输机制而导致地上部重金属含量与根系相当，如玉米[6]。